Le marché des véhicules électriques est en pleine croissance, avec une augmentation significative des ventes chaque année. La disponibilité et la fiabilité des infrastructures de recharge sont donc cruciales pour accompagner cette expansion. L'accès aisé à une infrastructure de recharge performante influence grandement l'adoption des véhicules électriques, et comprendre les enjeux de la conception électrique est primordial pour garantir la satisfaction des utilisateurs.
Cet article a pour but de vous guider dans la conception du schéma électrique d'une borne de recharge. Nous aborderons les principes de base, les normes pertinentes (IRVE), le dimensionnement des composants et les mesures de sécurité à mettre en œuvre. Nous explorerons aussi les différents types de bornes (AC et DC) et leurs spécificités, ainsi que les systèmes de communication et de contrôle nécessaires. Enfin, nous examinerons les tests et la maintenance pour assurer la longévité de la borne.
Comprendre les fondamentaux et les normes IRVE
Cette section pose les bases pour comprendre les divers types de bornes de recharge, leurs particularités électriques, et les normes et réglementations essentielles à respecter, notamment les normes IRVE. Une compréhension approfondie est capitale pour concevoir une borne de recharge à la fois sécurisée, performante et en accord avec les réglementations locales et internationales. Un dimensionnement précis et une bonne connaissance des normes permettent d'éviter les risques pour la sécurité et assurent la pérennité de l'équipement. Les réglementations évoluent, il est donc impératif de se tenir régulièrement informé.
Les types de bornes et leurs spécificités électriques
Les deux principaux types de bornes de recharge sont les bornes en courant alternatif (AC) et celles en courant continu (DC). Chacune possède des caractéristiques électriques distinctes, des atouts et des limites, les rendant plus ou moins adaptées aux besoins spécifiques. Le choix du type de borne dépendra de la puissance de recharge requise, du type de véhicules à alimenter et de l'emplacement de l'installation.
AC (courant alternatif)
Les bornes AC sont courantes pour la recharge à domicile et dans les commerces. Elles utilisent le courant alternatif du réseau pour alimenter le chargeur intégré du véhicule, qui convertit le courant AC en courant DC pour recharger la batterie. Moins coûteuses et simples à installer que les bornes DC, elles offrent une puissance de recharge plus modérée.
- Monophasé vs Triphasé: Les bornes AC peuvent être monophasées (230V) ou triphasées (400V). Le triphasé permet une recharge plus rapide. Les bornes triphasées conviennent aux besoins de recharge rapide pour les flottes de véhicules ou les bornes publiques.
- Niveaux de puissance (L1, L2): Les bornes AC sont classées selon leur puissance. Les niveaux L1 et L2 sont typiques pour la recharge résidentielle, avec des puissances de 3.7 kW à 7.4 kW. Les bornes commerciales peuvent offrir jusqu'à 22 kW en triphasé.
Les connecteurs pour les bornes AC varient selon les zones géographiques. En Europe, le connecteur Type 2 (Mennekes) est la norme. Le Type 1 est plus courant en Amérique du Nord. Le Schuko est utilisable pour les prises domestiques classiques, mais sa puissance est limitée et déconseillée pour un usage fréquent.
DC (courant continu)
Les bornes DC, ou bornes de recharge rapide, fournissent directement du courant continu à la batterie du véhicule, sans passer par le chargeur embarqué. Cela permet une puissance de recharge bien plus importante, réduisant considérablement la durée de la recharge. Elles sont principalement utilisées dans les stations publiques et sur les autoroutes, où la rapidité est essentielle.
- CCS (Combined Charging System): Le CCS est un standard de recharge rapide qui combine un connecteur Type 2 (Europe) ou Type 1 (Amérique du Nord) avec des broches additionnelles pour la recharge en courant continu. CCS1 et CCS2 diffèrent par la position des broches DC. Le CCS offre une recharge rapide et est compatible avec la majorité des véhicules électriques modernes.
- CHAdeMO: CHAdeMO est un standard japonais de recharge rapide. Bien que certains véhicules l'utilisent encore, il est progressivement supplanté par le CCS.
- Tesla Supercharger: Tesla utilise un connecteur exclusif pour ses Superchargers, compatible uniquement avec ses véhicules. Les Superchargers fournissent une puissance de recharge très élevée et sont situés le long des grands axes routiers.
Les niveaux de puissance des bornes DC vont de 50 kW à plus de 350 kW. Les bornes de 50 kW sont fréquentes dans les stations publiques, tandis que celles de 350 kW permettent une recharge ultra-rapide en quelques minutes. La puissance doit être choisie en fonction des besoins de l'utilisateur et des capacités du réseau électrique.
Tableau comparatif des standards de recharge:
| Standard | Type de Courant | Puissance Maximale (kW) | Connecteur | Principalement Utilisé |
|---|---|---|---|---|
| Type 2 (Mennekes) | AC | 43 | Type 2 | Europe |
| CCS Combo 2 | DC | 350+ | CCS Combo 2 | Europe |
| CHAdeMO | DC | 100 | CHAdeMO | Asie (Japon principalement) |
| Tesla Supercharger | DC | 250 | Tesla Propriétaire | Véhicules Tesla |
Normes et réglementations essentielles pour les IRVE
Le respect des normes et réglementations est essentiel pour assurer la sécurité des utilisateurs et l'interopérabilité des bornes de recharge. Les normes définissent les spécifications techniques pour la conception, la production, l'installation et la maintenance des bornes. Les réglementations, notamment les IRVE, définissent les obligations légales pour les exploitants, en particulier concernant la sécurité électrique et la facturation.
Les normes internationales clés sont l'IEC 61851 (exigences générales pour les systèmes de recharge conductrice), l'IEC 62196 (connecteurs et prises) et l'ISO 15118 (protocoles de communication véhicule-infrastructure). Ces normes assurent la compatibilité et la sécurité. En Europe, les normes EN 61851 et EN 62196 transposent les normes IEC. La NF C 15-100 en France complète ces normes avec des exigences nationales, comme la sécurité électrique et la protection contre les incendies. Les décrets et arrêtés relatifs aux IRVE encadrent l'accessibilité, la facturation et la supervision des bornes. Par exemple, l'article 4 du décret n° 2017-26 du 12 janvier 2017 impose des règles d'accessibilité pour les personnes handicapées.
La sécurité est un point capital dans la conception d'une borne de recharge. Il est essentiel d'intégrer des protections contre les surintensités, les courts-circuits, les défauts à la terre (DDR) et les surtensions. Ces protections doivent être correctement dimensionnées et régulièrement contrôlées. Voici une liste non exhaustive de normes essentielles:
- NF C 15-100
- NF EN 61851-1
- NF EN 61851-21-2
| Norme | Description | Organisme |
|---|---|---|
| IEC 61851 | Systèmes de recharge conductrice des véhicules électriques | IEC |
| IEC 62196 | Connecteurs et prises pour la recharge des véhicules électriques | IEC |
| ISO 15118 | Protocoles de communication entre le véhicule et l'infrastructure | ISO |
| NF C 15-100 | Installations électriques à basse tension (France) | AFNOR |
Composants clés d'un schéma électrique de borne
Le schéma électrique d'une borne de recharge est un document essentiel. Il décrit les connexions entre les différents composants électriques, permettant de comprendre le fonctionnement de la borne, de dimensionner les composants, et de faciliter le câblage et le dépannage. Un schéma clair et précis est donc indispensable.
- Arrivée d'Alimentation: Le câble d'alimentation doit être dimensionné selon la puissance de la borne et sa longueur. Une protection différentielle et un disjoncteur sont indispensables. Un sectionneur permet de couper l'alimentation pour la maintenance.
- Transformateur (si nécessaire): Un transformateur peut être nécessaire pour adapter la tension du réseau, notamment pour les bornes DC.
- Onduleur (pour bornes DC et V2G): Un onduleur convertit le courant continu en alternatif, particulièrement important pour le mode V2G (Vehicle-to-Grid).
- Filtres CEM/RFI: Ces filtres minimisent les interférences électromagnétiques avec d'autres équipements.
- Système de Mesure: Un compteur d'énergie permet de suivre la consommation. Des capteurs surveillent l'état de la charge.
- Contacteurs: Les contacteurs permettent de gérer le courant de charge, coupant ou autorisant le passage du courant. Ils doivent être correctement dimensionnés en fonction du courant maximal de la borne.
Conception du schéma électrique : guide étape par étape
Concevoir un schéma électrique pour une borne de recharge est une étape délicate qui demande méthode et rigueur. Cela implique de définir les besoins, de dimensionner les composants, de créer le schéma et d'intégrer les systèmes de communication et de contrôle. Chaque étape doit être exécutée soigneusement pour assurer la sécurité, la fiabilité et l'efficacité de la borne.
Définir les besoins et spécifications
La première étape consiste à définir les besoins avec précision, incluant le type de borne (AC ou DC), la puissance de charge, la tension d'alimentation, les contraintes environnementales et les fonctionnalités désirées. Une définition précise facilite le dimensionnement et le choix des protections.
Le choix entre AC et DC dépend de l'application : AC pour la recharge résidentielle et commerciale légère, DC pour la recharge rapide en stations publiques. La puissance de charge doit être calculée selon les véhicules et le temps de recharge souhaité. La tension d'alimentation doit correspondre au réseau (230V monophasé ou 400V triphasé). L'environnement (température, humidité, exposition aux éléments) influence le choix du boîtier et des composants. Envisager la lecture de badges RFID ou le paiement intégré peut être nécessaire.
Dimensionnement des composants
Après avoir défini les besoins, il faut dimensionner les composants électriques : calculer la section des câbles, choisir les disjoncteurs et différentiels, dimensionner les contacteurs et sélectionner les parafoudres. Un bon dimensionnement est primordial pour la sécurité et la fiabilité.
La section des câbles se calcule en fonction de l'intensité, de la longueur et des chutes de tension admissibles. Les disjoncteurs et différentiels doivent être choisis en accord avec la puissance de la borne et les normes de sécurité. Les contacteurs doivent supporter le courant nominal et la tension. Les parafoudres se sélectionnent selon la tension du réseau et le niveau de protection désiré. Par exemple, pour une borne de 7.4kW en 230V, le courant nominal sera d'environ 32A. Il faudra donc choisir des câbles et des protections adaptés à ce courant. La formule P = UI est alors utile, avec U la tension, P la puissance et I l'intensité.
Réalisation du schéma électrique
La création du schéma électrique est une étape essentielle. Elle consiste à représenter les connexions entre les composants. Il est conseillé d'utiliser un logiciel de schématisation pour simplifier la création et les modifications. L'emploi de symboles normalisés et une représentation claire des connexions sont impératifs.
Les logiciels de schématisation (tels que See Electrical, EPLAN ou AutoCAD Electrical) permettent de créer, modifier et générer des nomenclatures. Utiliser les symboles normalisés (IEC, EN) garantit la clarté. Indiquer les connexions et les numéros de bornes facilite le câblage et les interventions. Une numérotation cohérente des fils facilite aussi le dépannage.
Intégration des systèmes de communication et de contrôle
L'intégration des systèmes de communication et de contrôle permet à la borne de communiquer avec le véhicule et avec un système de gestion de l'énergie (EMS). Cela autorise le contrôle de la charge, le suivi de la consommation et l'optimisation de la gestion énergétique. Cette intégration est essentielle pour les bornes publiques et commerciales.
La communication avec le véhicule se fait via les protocoles CP, PP, CAN, PLC ou Ethernet. CP contrôle la puissance de charge, PP détecte le connecteur, CAN échange des informations sur la batterie. La communication avec un EMS utilise Modbus ou OCPP (Open Charge Point Protocol), un protocole standardisé pour la gestion à distance. L'OCPP permet par exemple de gérer les tarifs et la disponibilité de la borne.
Sécurité, tests et maintenance
La sécurité est primordiale dans la conception et l'exploitation d'une borne de recharge. Des mesures de sécurité doivent protéger les utilisateurs contre les risques électriques. Des tests et des vérifications sont nécessaires avant la mise en service, ainsi qu'un programme de maintenance.
Mesures de sécurité à intégrer
Plusieurs mesures de sécurité doivent être mises en place : mise à la terre, double isolation, interrupteurs différentiels, disjoncteurs, fusibles et parafoudres. Ces éléments doivent être correctement dimensionnés et régulièrement contrôlés.
- Protection Contre les Chocs Électriques: La mise à la terre dévie les défauts à la terre. La double isolation isole les parties actives. Les interrupteurs différentiels détectent les défauts à la terre et coupent l'alimentation.
- Protection Contre les Surcharges et les Courts-Circuits: Les disjoncteurs et les fusibles protègent contre les surcharges et les courts-circuits.
- Protection Contre les Surtensions: Les parafoudres protègent contre les surtensions causées par la foudre.
- Protection Contre les Intempéries: Un boîtier étanche protège contre l'humidité et la poussière.
Tests et vérifications avant mise en service
Avant de mettre en service la borne, il faut tester et vérifier son bon fonctionnement et sa sécurité. Cela comprend la continuité de terre, l'isolement, le fonctionnement des DDR, la polarité et la communication.
Le test de continuité de terre vérifie la connexion à la terre. Le test d'isolement mesure la résistance d'isolement des câbles et des composants (généralement à 500V DC). Le test des DDR vérifie leur déclenchement en cas de défaut à la terre. Le test de polarité vérifie le branchement des phases et du neutre. Le test de communication valide la communication avec le véhicule et l'EMS.
Maintenance préventive et corrective
Pour assurer la longévité de la borne, un programme de maintenance préventive et corrective est nécessaire. Il inclut l'inspection visuelle, le nettoyage, la vérification des serrages, le test des protections et le dépannage.
L'inspection visuelle détecte les anomalies (câbles endommagés, connecteurs desserrés). Le nettoyage enlève la poussière. La vérification des serrages assure la bonne tenue des connexions. Le test des protections valide les disjoncteurs et DDR. Le dépannage corrige les pannes. Voici un exemple de planning de maintenance:
- Tous les 6 mois : Vérification des serrages et des tensions d'entrée/sortie.
- Tous les ans : Test des DDR et inspection visuelle complète.
L'avenir de la recharge électrique
La conception électrique d'une borne de recharge est essentielle pour une recharge sûre, fiable et efficace. En comprenant les fondamentaux, les normes, le dimensionnement et la sécurité, vous pouvez concevoir des bornes performantes et durables. Investir dans une infrastructure de recharge de qualité est crucial pour soutenir le marché des véhicules électriques et la transition énergétique.
Les bornes de recharge progressent constamment. La recharge bidirectionnelle (V2G) permet aux véhicules de renvoyer de l'énergie au réseau. La recharge sans fil offre plus de commodité. L'intégration aux réseaux intelligents optimise la consommation. Restez informé pour concevoir des bornes innovantes. En Europe, il y avait environ 370 000 points de recharge publics fin 2023 (source : Observatoire Européen des Carburants Alternatifs - EAFO). Pour en savoir plus sur les solutions de recharge et obtenir un devis personnalisé, n'hésitez pas à contacter nos experts.
